11 Minute
Soarele ca accelerator natural de particule
Soarele nu este doar sursa de lumină și căldură pentru Sistemul Solar; el funcționează și ca un accelerator natural de particule, lansând fluxuri de particule încărcate care călătoresc prin spațiul interplanetar. Folosind date de la misiunea Solar Orbiter a Agenției Spațiale Europene, cercetătorii au urmărit acum cei mai rapizi dintre acești electroni — electronii de înaltă energie — înapoi la două origini solare separate. Această descoperire rezolvă o ambiguitate de lungă durată privind Electronii Energetici Solari (SEE) și ne crește capacitatea de a prezice vremea spațială periculoasă care poate afecta sateliții, astronauții și infrastructura terestră.
ESA’s Solar Orbiter a arătat modul în care Soarele lansează două fluxuri distincte de electroni de înaltă energie, rezolvând un mister cheie și avansând protecția împotriva vremii spațiale. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Mission and instruments: How Solar Orbiter made the link
Solar Orbiter operează mai aproape de Soare decât majoritatea misiunilor anterioare și transportă un set integrat de instrumente de observație la distanță și în situ. Între noiembrie 2020 și decembrie 2022, nava a înregistrat peste 300 de evenimente cu electroni energetici, combinând măsurători directe ale particulelor cu imagini și spectroscopie simultană a atmosferei solare.
Solar Orbiter a observat peste 300 de izbucniri de „Electroni Energetici Solari” între noiembrie 2020 și decembrie 2022. Pentru prima dată vedem clar legătura dintre electronii energetici din spațiu și sursele lor de pe Soare. Electronii energetici sunt lansați de două surse distincte: fulgere solare (puncte albastre) și ejecții de masă coronală (puncte roșii). Fulgerele solare eliberează izbucniri rapide de electroni energetici, în timp ce ejecțiile de masă coronală (CME) eliberează valuri mai largi de electroni într-un ritm mai gradual. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/STIX & EPD
Setul de date folosit în studiu s-a bazat pe opt din cele zece instrumente științifice ale Solar Orbiter. Contribuțiile cheie au inclus:
- Energetic Particle Detector (EPD): măsurare in situ a fluxurilor și energiilor electronilor în timp ce Solar Orbiter traversa fluxurile.
- Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX): a capturat emisiile în raze X produse atunci când electronii energetici impactează atmosfera solară.
- Extreme Ultraviolet Imager (EUI) și coronagraful Metis: au furnizat context privind originea solară — fulgere solare, jeturi și ejecții de masă coronală (CME).
Prin asocierea detecției in situ a particulelor cu observațiile solare la distanță, oamenii de știință au putut determina atât când, cât și unde au fost accelerate electronii și cum au scăpat în spațiul interplanetar. După cum remarcă autorul principal Alexander Warmuth (Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam), „Datorită apropierii atât de mari față de steaua noastră, am putut măsura particulele într-o stare relativ 'pristină' timpurie și astfel să determinăm cu acuratețe momentul și locul în care au fost generate pe Soare.”
Two distinct electron populations identified
Rezultatul central este o separare clară între două tipuri de evenimente cu Electroni Energetici Solari:
- Evenimente impulsive legate de fulgere solare: acestea produc izbucniri scurte și intense de electroni de înaltă energie care scapă rapid de-a lungul liniilor câmpului magnetic. Fulgerele apar în regiuni mai mici, foarte active ale suprafeței solare și adesea generează jeturi înguste și emisii localizate în raze X.
- Evenimente graduale asociate ejecțiilor de masă coronală (CME): CME-urile sunt expulzări enorme de plasmă și câmp magnetic din coroana solară. Acestea pot accelera și injecta electroni mai lent și pe o gamă mai largă de longitudini, producând valuri prelungite de particule energetice.
„Observăm o separare clară între evenimentele de particule 'impulsive', în care electronii energetici pleacă de pe suprafața Soarelui în rafale prin fulgere, și cele 'graduale' asociate cu CME-uri mai extinse, care eliberează un val mai larg de particule pe perioade mai lungi,” spune Alexander Warmuth.
Solar Orbiter a observat această flacără solară pe 11 noiembrie 2022, cu instrumentele sale Extreme Ultraviolet Imager (EUI) și Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays (STIX). Înregistrarea EUI (galben) arată gaz la milioane de grade în atmosfera Soarelui. O ejecție îngustă de gaz din flacără, numită jet solar, este clar vizibilă îndreptându-se spre partea din dreapta jos a inserției. Fulgerele solare eliberează electroni atât spre exterior, în spațiu, cât și spre interior, către suprafața Soarelui. Când lovesc suprafața, generează raze X. Această emisie în raze X, înregistrată de STIX, este suprapusă în albastru. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI & STIX
How particles travel: detection delays and transport effects
Un mister persistent abordat de studiu este întârzierea variabilă dintre o erupție solară observată la distanță (o flacără sau un CME) și detectarea electronilor energetici în apropierea unei nave spațiale. În unele cazuri, electronii par să sosească la ore după evenimentul solar inițiator. Setul de date al Solar Orbiter arată că o parte din această întârziere nu este intrinsecă la Soare, ci rezultatul efectelor de transport în vântul solar.
Scattering and turbulence in the heliosphere
Spațiul interplanetar este plin de vântul solar — un flux supersonic de plasmă care poartă câmpul magnetic al Soarelui. Această plasmă magnetizată este turbulentă: neregularitățile și undele împrăștie particulele încărcate. Pe măsură ce electronii propagă spre exterior, întâlnesc turbulență magnetică care le poate schimba direcția și viteza, provocând întârzieri la detecție și estompează semnalul inițial al izbucnirii.
„Se pare că acest lucru este cel puțin parțial legat de modul în care electronii călătoresc prin spațiu — ar putea fi o întârziere la eliberare, dar și o întârziere la detectare,” spune cercetătoarea ESA Laura Rodríguez-García. „Electronii întâlnesc turbulență, sunt împrăștiați în direcții diferite etc., astfel încât nu îi observăm imediat. Aceste efecte se acumulează pe măsură ce te îndepărtezi de Soare.”
Deoarece Solar Orbiter a efectuat măsurători la distanțe mai apropiate, a putut captura electronii într-o stare relativ 'pristină' înainte ca efectele cumulative de împrăștiere să devină dominante. Compararea observațiilor la diferite distanțe radiale a permis echipei să separe proprietățile sursei (flacără vs CME) de efectele de transport în heliosferă.
Scientific significance and implications for space weather
Distincția între populațiile de electroni conduse de fulgere și cele conduse de CME are valoare imediată pentru prognoza vremii spațiale. CME-urile prezintă în general un pericol mai mare deoarece conțin un număr mai mare de particule de înaltă energie și adesea generează șocuri care accelerează suplimentar particulele încărcate. Identificând ce tip de eveniment produce electronii observați, analiștii pot estima mai bine severitatea și durata episoadelor de radiație particulelor.
Păstrarea siguranței pe Pământ: Descoperirea este crucială pentru înțelegerea vremii spațiale, unde prognozele exacte sunt esențiale pentru a menține navele spațiale operaționale și în siguranță. Unul dintre cele două tipuri de evenimente SEE este mai important pentru vremea spațială: cel legat de CME-uri, care tind să conțină mai mulți electroni de înaltă energie și, prin urmare, pot provoca daune mai mari. Din acest motiv, posibilitatea de a distinge între cele două tipuri de electroni energetici este extrem de relevantă pentru previziuni.
„Cunoștințele obținute de la Solar Orbiter vor ajuta la protejarea viitoarelor nave spațiale, permițându-ne să înțelegem mai bine particulele energetice solare care amenință astronauții și sateliții,” spune Daniel Müller, cercetător proiect ESA pentru Solar Orbiter. Setul de date produs de studiu formează o bază de date în creștere pe care oamenii de știință din întreaga lume o vor folosi pentru a rafina modelele de accelerare și propagare a particulelor.
Related technologies, operational missions and next steps
Această cercetare subliniază cum instrumentația coordonată — combinând detectoare de particule in situ cu imagistică solară de înaltă rezoluție și spectroscopie — permite progrese în înțelegerea accelerării particulelor solare. Lecțiile învățate informează atât cercetarea științifică, cât și infrastructura operațională pentru prognoza vremii spațiale.
Solar Orbiter a observat această ejecție de masă coronală (CME) pe 19 noiembrie 2022. O CME este o erupție vastă de miliarde de tone de plasmă și câmpuri magnetice însoțitoare din atmosfera exterioară a Soarelui. Instrumentul Metis imaginează atmosfera exterioară a Soarelui ascunzând în mod artificial discul său strălucitor, similar cu ceea ce se întâmplă în timpul unei eclipse solare totale. În acest film, mărimea și poziția Soarelui sunt reprezentate prin cercul alb. Credit: ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis
Future missions: Vigil and SMILE
Două misiuni viitoare ale ESA vor extinde capabilitățile noastre de observație:
- Vigil (lansare ~2031): Va opera dintr-un punct de observație lateral, monitorizând marginile estice și vestice ale Soarelui ("partea" Soarelui în raport cu Pământul) pentru a detecta mai devreme CME-urile care se pot roti pe o traiectorie către Terra. Vederea laterală continuă operațională a lui Vigil va îmbunătăți timpii de avertizare pentru traiectoria, viteza și probabilitatea de impact a CME-urilor.
- SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, lansare viitoare): Va studia interacțiunea dinamică dintre particulele vântului solar și magnetosfera Terrei, clarificând modul în care fluxurile de electroni energetici și alte emisii solare perturbă scutul magnetic al planetei noastre.
Aceste misiuni, împreună cu Solar Orbiter și alte observatoare, vor forma o rețea cu perspective multiple care îmbunătățește atât înțelegerea fizicii, cât și prognoza operațională.
Expert Insight
Dr. Maya Singh, heliosfizician principal la o universitate importantă (expert fictiv), comentează: „Ceea ce a realizat Solar Orbiter este separarea amprentelor a două procese acceleratoare de pe Soare. Observarea electronilor aproape de locul lor de origine reduce ambiguitatea introdusă de efectele de transport în vântul solar. Practic, asta înseamnă modele mai bune pentru mediile de radiație din jurul navelor spațiale și criterii mai clare pentru declanșarea protocoalelor de protecție pentru nave și astronauți.”
Dr. Singh adaugă: „Combinația dintre măsurători la distanță și in situ în aceeași misiune este un model pentru viitoarele misiuni de heliosfică. Pe măsură ce adăugăm misiuni cu vedere laterală precum Vigil și misiuni țintite asupra magnetosferei precum SMILE, capacitatea noastră predictivă pentru vremea spațială se va îmbunătăți substanțial.”
Conclusion
Observațiile Solar Orbiter au rezolvat o întrebare cheie despre cele mai rapide particule încărcate ale Soarelui, arătând că electronii energetici vin în două varietăți principale: izbucniri impulsive generate de fulgere solare și valuri graduale legate de ejecțiile de masă coronală. Măsurând peste 300 de evenimente SEE cu instrumente complementare și la distanțe mai apropiate decât sondele anterioare, misiunea a separat caracteristicile sursei de efectele de transport produse de vântul solar turbulent. Rezultatul întărește prognozele pentru vremea spațială, informează strategiile de protecție pentru sateliți și astronauți și stabilește o bază pentru noile misiuni — Vigil și SMILE — care vor extinde acoperirea noastră observațională a sistemului Soare–Pământ. Baza de date în creștere a Solar Orbiter va continua să deservească comunitatea heliosfizică globală pe măsură ce rafinăm modelele de accelerare, propagare și impact planetar ale particulelor.
Sursa: scitechdaily
Comentarii